plc控制交流电机变频调速系统的设计与实现

太原科技大学毕业设计（论文）设计论文题目PLC控制交流电机变频调速系统的设计与实现姓名安泽宇学院（系）电子信息工程学院专业电气工程及其自动化年级2008级_指导教师智泽英_2012年6月14日太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）电子信息工程学院时间2012年3月20日学生姓名安泽宇指导教师智泽英设计（论文）题目PLC控制交流电机变频调速系统的设计与实现主要研究内容结合变频调速系统，提出了一种基于PLC的模糊控制策略的实现方法，并在起重设备中运用研究方法1以PLC和模糊控制理论为基础2以SIMATIC7200PLC为控制器，利用STEP7一MICROWIN32对模糊控制算法进行编程实现3将模糊控制系统进行仿真，并将其与传统PID控制效果进行比较分析主要技术指标或研究目标1PLC及模糊控制理论的发展前景和技术革新2变频器在交流电机变频调速技术中的重要作用3变频调速技术在起重设备中的设计与应用即实现基于PLC模糊控制的桥式起重机变频调速系统。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字年月日目录摘要III关键词IIIABSTRACTIV第一章绪论111PLC的发展前景112起重机的发展状况和研究趋势213传统桥式起重机控制系统的特点及存在的问题414起重机调速技术的发展现状515模糊控制理论概况616本论文的研究意义及主要内容7第二章频调速控制技术的基本原理921交流电机变频调速技术922变频器11221变频器的类型11222变频器的基本结构12223变频器的主电路12224变频器的控制电路1323现代变频调速的控制方法1324变频调速与传统串电阻调速效果比较14第3章变频调速系统的总体设计1731桥式起重机系统简介1732系统总体方案设计1733系统部件的选择1934系统的通信程序设计20341PLC与上位机之间的通信20342PLC通信程序框图24第4章系统模糊控制器的设计3141模糊控制理论31411模糊控制的基本思想31412模糊控制特点3242模糊控制系统的组成3343模糊控制器的组成3444电机转速模糊控制器的设计35441确定模糊控制器的输入变量和输出变量36442输入、输出变量的论域及参数的确定37第5章模糊控制变频调速系统的实现及仿真4151PLC的基本结构和工作原理41511PLC的基本结构41512PLC的工作原理4252PLC控制系统的整体设计4353模糊控制的PLC实现4554模糊控制变频调速系统的仿真46第6章总结与展望49参考文献51致谢52摘要自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、搞干扰能力强等到一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到了广泛应用。所以，掌握PLC技术是改造传统生产工艺和设备的重要途径。同时，在工业生产的各个过程中，运动始终是必需的，运动的动力来源多数是电机，因此电机的调速也成为我们的重点研究对象，在PLC广泛应用的今天，自然会想到PLC在电机调速作用，本文结合变频调速系统，提出了一种基于PLC的模糊控制策略实现方法。首先对基于PLC模糊控制的变频调速系统进行总体设计，然后重点进行工控机与PLC以及PLC与变频器之间的通信程序设计。接着论述了模糊控制器的原理和结构，并研究和设计了一种电机转速模糊控制器。对基于SIEMENSPLC模糊控制策略进行了工程实现研究，并给出了关键部分的程序。本文所研究的桥式起重机变频调速控制系统，可以实现起重机电机速度的调节，满足节约能源和适应生产的需要。本系统采用PLC模糊控制既保留了PLC的可靠、灵活、适应能力强等特点，又提高了控制系统的智能化程度和系统的静动态特性。仿真结果表明，该系统能对电机转速实现精确控制，实用性强，具有一定的推广价值。关键词PLC电机调速系统通信变频调速控制系统ABSTRACTSINCETHESIXTIESTHETWENTIETHCENTURYTHEUNITEDSTATESLAUNCHEDAPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER,PLCHASREPLACEDTHETRADITIONALRELAYCONTROLDEVICE,PLCHASBEENRAPIDDEVELOPMENT,ISWIDELYUSEDAROUNDTHEWORLDMEANWHILE,PLCFUNCTIONISALSOIMPROVEDWITHCOMPUTERTECHNOLOGY,SIGNALPROCESSINGTECHNOLOGY,CONTROLTECHNOLOGYANDNETWORKTECHNOLOGYFORTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFRISINGUSERDEMAND,PLCBASISOFTHESWITCHRATETREATMENTSTOTREATVOLUMESADDEDTOTHESIMULATIONANDMOTIONCONTROLFUNCTIONSPLCTODAYNOLONGERLIMITEDTOLOGICCONTROL,MOTIONCONTROL,PROCESSCONTROLANDOTHERFIELDSALSOPLAYANIMPORTANTROLEPLCHASASIMPLESTRUCTURE,EASYPROGRAMMING,SUPERIORPERFORMANCE,FLEXIBLEANDVERSATILE,EASYTOUSE,HIGHRELIABILITYANDABILITYTOWAITOUTASERIESOFINTERFERENCEWITHTHEADVANTAGESOFAUTOMATIONININDUSTRIALPRODUCTIONPROCESSHASBEENWIDELYAPPLIEDTHEREFORE,THEMASTERPLCTECHNOLOGYISTHETRANSFORMATIONOFTRADITIONALPRODUCTIONTECHNIQUESANDEQUIPMENT,IMPORTANTWAYMEANWHILE,INDUSTRIALPRODUCTION,ALLPROCESS,THEMOVEMENTISALWAYSNECESSARY,EXERCISETHEMAJORITYOFTHEELECTRICALPOWERSOURCE,SOTHEMOTORSPEEDHASBECOMETHEFOCUSOFOURSTUDY,WIDELYUSEDTODAYINTHEPLCWILLNATURALLYTHINKOFPLCINTHEMOTORSPEEDEFFECT,THISPAPER,FREQUENCYCONTROLSYSTEM,APLCBASEDIMPLEMENTATIONOFFUZZYCONTROLSTRATEGYFIRSTOFALL,PLCBASEDFUZZYCONTROLOFFREQUENCYCONTROLSYSTEMDESIGN,ANDTHENFOCUSFORIPCANDPLCANDTHECOMMUNICATIONBETWEENPLCANDINVERTERPROGRAMMINGTHENDISCUSSESTHEPRINCIPLEANDSTRUCTUREOFTHEFUZZYCONTROLLER,ANDRESEARCHANDDESIGNAMOTORSPEEDFUZZYCONTROLLERSIEMENSPLCBASEDFUZZYCONTROLSTRATEGYOFTHEPROJECTIMPLEMENTATION,ANDGIVESAKEYPARTOFTHEPROGRAMTHISPAPERSTUDIEDFREQUENCYCONTROLSYSTEMBRIDGECRANE,CRANEMOTORSPEEDCANBEADJUSTEDTOACHIEVE,ANDTOADAPTPRODUCTIONTOMEETENERGYNEEDSTHISSYSTEMUSESPLCPLCFUZZYCONTROLRETAINSTHERELIABLE,FLEXIBLE,ADAPTABLEANDSOON,ANDALSOENHANCETHELEVELOFINTELLIGENTCONTROLSYSTEMSANDSYSTEMSOFSTATICANDDYNAMICCHARACTERISTICSSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHISSYSTEMCANACHIEVEPRECISECONTROLOFMOTORSPEED,PRACTICAL,HASAPOTENTIALMARKETVALUEKEYWORDSMOTOR,SPEEDCONTROLSYSTEM,COMMUNICATEFREQUENCYCONTROLSYSTEM第一章绪论11PLC的发展前景可编程控制器简称PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3CCOMPUTER,CONTROL,COMMUNICATION技术相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等；模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（ANALOG）和数字量（DIGITAL）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制；运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。12起重机的发展状况和研究趋势在工厂、港口、货场等许多场合，起重机是实现物料搬运、减轻笨重体力劳动、提高作业效率、实现安全生产的重要设备。在国民经济各部门的物质生产和流通中，起重机作为关键的工艺设备或重要的装卸机械，应用十分广泛，并发挥着重要作用。简单的起重运输装置的诞生，可以追溯到公元前50004000年的新石器时代末期。那时，我国劳动人民已能利用这些简单装置开凿和搬运巨石，砌成石棺、石台。公元前2800年，古埃及人在建造金子塔中，曾采用滚子、斜面和杠杆运送石块、石碑等重物。公元前17651760年之间商朝，我国劳动人民开始使用一种由杠杆、对重和取物装置组成的最简单的起重装置桔槔来汲水。进入18世纪以后，英、法、德、美和匈牙利、意大利等国的机械工业发展较快，特别是19世纪下半叶，世界上出现了铁路，一些工业比较发达的国家为了满足港口、码头等地吊运物资和装备的需要，对起重机械提出了新的要求，以前那些用人力驱动、低效率、固定式的起重机已经达不到要求，取而代之的是全机械、高效率、移动式的轨道起重机。起重机作为一种古老的机械，时至今日，在其承载结构、驱动机构、取物装置、控制系统及安全装置等各方面都有了很大的发展，其设计理论、制造工艺、检测手段等都逐渐趋于完善和规范化，并已经成为一种较为成熟的机械。但由于生产发展提出新的使用要求，起重机的种类、形式也需要相应地发展和创新；性能参数也需要不断变化与提高。由于现代化设计方法的建立和计算机辅助设计等现代设计手段的应用，使起重机设计思维观念和方法有了进一步的更新，其它技术领域和相邻工业部门不断取得的新科技成果在起重机上得到渗透、推广应用等，更使起重机的各方面不断地丰富更新。因此，起重机将向现代化、智能化、更安全可靠方便的方向发展当今，起重机发展的主要趋势有以下几点1向大型化、高效率化发展。目前，世界上最大的浮式起重机起重量达6500T，最大的履带起重机起重量为3000T，最大桥式起重机起重量为1200T。带式输送机最大带宽达32M，输送能力最大为37万TH，单机最大输送距离超过30KM。自动化立体库堆垛机最大运行速度达240MMIN。2向自动化、智能化、集成化和信息化发展。机械技术和电子技术相结合，将先进的微电子技术、电力电子技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化和智能化，以适应多批次少批量的柔性生产模式。目前已出现了能自动装卸物料、有精确位置检测和有自动过程控制的桥式起重机。起重机上还装有微机自诊断监控系统，对自身的运行状态进行监测和维护。3向成套化、系统化和规模化发展。将各种起重运输机械的单机组合为成套系统，加强生产设备与物料搬运机械的有机结合，提高自动化程度，改善人机系统。重点发展的有港口散料和集装箱装卸系统、工厂生产搬运自动化系统、自动化立体仓库系统、商业货物配送集散系统、交通运输部门和邮电部门行包邮件的自动分拣与搬运系统等。4向模块化、组合化、系列化和通用化发展。许多通用起重运输机械是成系列成批量的产品。为了降低制造成本，提高通用化程度，可采用模块组合的方式，用较少规格的零部件和各种模块组成多品种、多规格和多用途的系列产品，充分满足各类用户的需要。也可使单件小批量生产起重运输机械的方式改换成具有相当批量和规模的模块生产，实现高效率的专业化生产。5向小型化、轻型化发展。有相当数量的起重运输机械作业并不十分频繁。为了考虑综合效益，要求这部分起重运输机械尽量减少外形尺寸，简化结构，降低造价和使用维护费用，按最新设计理论开发出来的这类设备比我国用传统理论设计的同类产品自重轻20。由于自重轻、轮压小、外形尺寸小，使结构的建造费用和起重机运行费用也大大减少。6采用新理论、新方法、新技术提高设计质量。通过计算机模拟与仿真，开展对起重运输机械载荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究，寻求参数与机种的最佳匹配与组合；开展对可靠性的试验研究，全面采用极限状态设计法、概率设计法和可靠性设计等，利用CAD提高设计效率与质量，与计算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体化。7用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能。结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和美化外形。在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构，以焊代铸，采用机电液一体化技术，提高使用性能和可靠性。开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统。今后还会更加注重起重运输机械的安全性，重视司机的工作条件。13传统桥式起重机控制系统的特点及存在的问题桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位。经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。传统的起重机驱动方案一般采用1直接起动电动机；2改变电动机极对数调速3转子串电阻调速；4涡流制动器调速；5可控硅串级调速；6直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速，起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于O204，即使满载也低于O75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有的良好的调速性能、起制动性能，保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机调速，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问题1控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高；2在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出；3低速定位时由于采用“倒拉反接制动“运行方式，转子中串入了较大电阻导致机械特性变得很软，低速定位困难；4能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重。14起重机调速技术的发展现状电动机的调速经过了很长时间的演变过程，一直以来人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，随着大功率和高开关频率的半导体器件的开发研制成功，以及计算机技术的普及应用，交流电动机的调速方式在近20年内取得了飞速发展，调速技术已经日趋成熟。电动机的转速可以用公式表示为，其中，F为电机电源的频率；P为160SPFN电机的极对数S为电机转差率。由上面的公式，我们不难看出，要改变电机的速度，我们可以通过如下的方法1改变极对数的调速；2改变转差率调速；3变频调速。旋转磁场的速度与定子的极对数有关，定子绕组进行切换就可以改变极对数，从而改变转速。但是从低极对数高速变换到高极对数，电机的实际速度会大幅度下降，如果切换速度很快，电机将会经历一个发电阶段，从而在电机及机械装置上产生较大的反向转矩。改变磁极对数方式属于有极调速，调速范围小。目前，在起重机上已经很少应用这种方式。改变转差率调速是目前起重机上应用较多的调速方式，转子串电阻、定子调压调速等均为这种调速方式，尤其是转子串电阻调速方式更为普遍。该方式依赖绕线电机转子部分串不同阻值的金属电阻来消耗部分能量以达到调速效果，但在低速区具有稳定性差、出力不足的缺点，在重载下降时要有第三方制动即拖拽才能保证重载不溜钩，这种制动方式常有能耗制动、涡流制动、单相制动等。由于采用了第三方的拖拽对电机的冲击较大，在能耗和单相制动要对电机注入直流电流和不平衡电流，在频繁使用过程中会使电机的温度过高，影响电机的绝缘寿命，加速了电机的老化过程。在机械平稳方面也由于制动的冲击力使振动加剧，加速了机械疲劳过程。目前在起重机上使用越来越广泛的电机驱动调速方式是变频调速。随着电气设备自动化控制要求及可靠性的不断提高，变频器在各行各业中的应用越来越广泛。国内起重机采用变频器进行调速控制大概是从20世纪90年代初期，由于其较于传统起重机控制方式具有显而易见的优势，因此很快被起重机广大用户所接受。早期在起重机上应用的变频器多用于行走机构即大、小车运行机构，随着变频技术的不断发展，以及各变频器生产厂家对高性能变频器从软、硬件的不断开发，在起升机构的应用也逐渐增多。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能，并且易于实现、便于控制，在很长一段历史时期内，一直处于调速领域的绝对优势地位。然而，直流电机结构复杂，制造费时，对运行环境要求较高，电刷易于磨损，维护麻烦，这些问题极大限制了直流调速系统的应用，而交流电机在这方面存在显著的优势。交流电动机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低、易维护、可适合于大容量调速和恶劣环境工作等优点，在工业领域得到广泛的应用。随着变频器的发展，逐渐取代直流调速而成为调速领域的领跑者。随着自动化技术的不断发展，电子元件制造工艺的不断进步，变频调速控制在起重机械中必将会得到更为广泛的应用。15模糊控制理论概况在工程上，传统的控制是一种精确的控制，这种控制方法追求对系统精确的数值分析和描述，用统一的数学表达式，特别是微分方程配合大量参数对系统结构及特性进行描述，并通过解方程求解系统从而进行控制，此类典型的精确控制模型为PID比例、微分、积分控制器。这种方法在军事科学、空间飞行等方面的确是非常必要的，对于那些能够用数学表达式描述的系统也是有效的。但是在工程上有大量的系统并非都能用数学表达式来描述，这时若采用传统的精确控制就不可能获得良好的效果。比如电饭煲煮饭过程控制、洗衣机洗衣服过程的控制、医疗诊断控制等，这些过程的特点是影响因素比较多且较模糊，难以用数学表达式精确地描述，基于精确数学的计算机难以对这些过程获得较好的控制效果。但通过人工操作却能够获得满意的控制效果，这说明了精确控制有其不足之处。1965年，美国的自动控制专家LAZADEH提出了“模糊“的概念。后来由英国工程师EHMAMDANI首次将模糊数学应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得圆满成功，由此开创了一种不同与传统的精确控制方法模糊控制。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型时，利用它具有智能的模糊控制能力给出有效的控制，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力，然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用。近年来，模糊控制无论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制等。模糊控制其实现方式也由最初在微型机单片机上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。16本论文的研究意义及主要内容从上述可知，PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、搞干扰能力强等到一系列优点。并具有开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。而传统桥式起重机的电控系统有很多缺点，要想从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式，换而采用平滑的无级调速。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机应用提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好、高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况，对改善起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。相对发达国家而言，我国的相关技术水平差距较大，主要技术难度体现在起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高，起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大，起重机的自动化程度越来越高，起重机对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此，有必要对桥式起重机电控系统进行应用研究。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重量的起重机；提高工作速度、扩大调速范围；提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作的条件，保证作业安全，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围，尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。也符合起重机向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展，向自动化、智能化、集成化和信息化发展的方向。变频调速系统有广泛的应用前景，我们首要考虑的问题就是如何使变频调速系统具有更好的调速性能和更高的控制精度。交流异步电动机是一个非线性、强耦合的对象，异步电动机变频调速时传递函数的推导过程是相当复杂的，即使作了很多简化所得到的一组微分方程式也是非线性的，一般不能用解析法来求解，而只能借助于模拟计算机去模拟系统的动态方程或者借助于计算机去求取一组数值解，这样用常规的控制方法来实现精确度高的变频调速是较困难的，针对这一情况，采取可靠的PLC和变频器控制交流异步电机方法，并把模糊控制算法引入到该控制系统中，从而可以有效地提高系统的静动态特性。本论文以通用桥式起重机调速控制系统为研究对象，研究了变频调速技术在起重机中的应用，根据原有的控制结构，将模糊控制理论与PLC技术进行相结合，提出了一个改进的控制系统，并采用该系统实现了桥式起重机的变频调速。本论文的主要内容如下1介绍了变频调速的基本原理，为起重机的变频控制系统提供了理论基础；2对桥式起重机变频调速系统进行了总体方案设计和部件选型，重点叙述了系统通信程序的设计；3以交流电动机为研究对象，研究模糊控制策略，并设计出适合本系统的二维模糊控制器；4以SIMATIC7200PLC为控制器，利用STEP7一MICROWIN32对模糊控制算法进行编程实现；5将模糊控制系统进行仿真，并将其与传统PID控制效果进行比较分析，验证模糊控制策略的优越性；6对研究工作进行总结和展望，提出进一步研究的方向。第二章频调速控制技术的基本原理21交流电机变频调速技术交流三相电动机由于不存在换向片以及结构简单、工作可靠，目前装机容量上占有绝对优势。交流电机变频调速技术是近十年伴随着功率半导体器件的出现，微电子技术，计算机技术的发展而形成的科技含量高的电机电气传动控制技术。它具有调速和节能两大优势。它使交流电机的调速功能已完全达到了直流电机调速的性能。根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为；（21）160SPFN其中N一异步电动机的转速，单位为RMIN；F_定子的电源频率，单位为HZ；S一电机的转速滑差率；P电机的极对数。由上式21可知，如果改变输入电机的电源频率F，则可相应改变电机的输出转速。在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素就是希望保持电动机中每极磁通量M。为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费。如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。在交流异步电动机中，由于磁通是由定子和转子磁动势合成产生的，需要采取一定的控制方式才能保持磁通恒定。三相异步电动机定子每相电动势的有效值是22MNS1GSKF4E式中一气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值V；GE一定子频率HZ；1F一定子每相绕组串联匝数；SN一定子基波绕组系数；SK一每极气隙磁通量WBM由式22可知，只要控制好电动势和频率，便可达到控制磁通的目的，对此，GE1F需要考虑基频额定频率以下和基频以上两种情况。1基频以下调速由式22可知，要保持不变，当频率从额定值几向下调节时，必须同时降低电动M1势，使GE即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压则得SUGE常数（24）1SFU这是恒压频比的控制方式。低频时，和都较小，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略。SUGE这时，可以人为地把电压抬高些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图21所示的B线，无补偿的控制特性则为A线。图21恒压频比控制特性曲线2基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从向上升高，但定子电压不可能超过额定电压，最多只能保持，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性组合在一起，如图22所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电气传动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时，转矩降低，基本上属于“恒功率调速”性质。图22异步电动机变频调速控制特性22变频器我们知道要想让交流异步电动机实现高性能调速，必须满足两个重要条件一是需要有能够分别连续改变频率和电压的电源设备；二是需要有能够有效地配合频率和定子电流变化来调整电压的控制方法。而能够分别连续改变频率和电压的电源设备就是变频器。下面简单介绍一下变频器的相关知识。221变频器的类型变频器的种类很多，下面根据不同的分类方法对变频器分类1按变换频率的方法分交一直一交变频器交一交变频器2按主电路工作方式分电压型变频器电流型变频器3按变频器调压方法的不同分PAM变频器PWM变频器4按工作原理分类UF控制变频器VC控制变频器SF控制变频器5按照用途分类通用变频器高性能专用变频器高频变频器222变频器的基本结构交一直一交电压型通用变频器由主电路和控制电路组成，其基本结构如图23所示，主电路包括整流器、中间直流环节和逆变器。控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入输出电路和驱动电路组成。整流器逆变器控制电路运行指令控制指令ACDCAC控制指令图23变频器基本结构图223变频器的主电路变频器的主电路包括整流电路、滤波及限流电路、直流中间电路、逆变电路和能耗制动电路等部分组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两部分，下面简单介绍一下整流电路和逆变电路。1整流电路一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。2逆变电路逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于拖动状态还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。224变频器的控制电路变频器控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。23现代变频调速的控制方法交流电机的控制远比直流电机复杂的多。在传动控制领域，电机转矩的控制精度、动态转矩的控制等都会对运动控制的稳定性和系统跟踪误差产生较大的影响。目前实用的交流调速系统的控制方法有以下几种1恒压频比控制VF控制VF控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持VF为常数，保证转子磁通的恒定。然而VF控制是一种开环的控制方式，速度动态特性较差，电机转矩利用率低，控制参数如加减速度等还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件的开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。2转差频率控制转差频率控制引入了速度闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升或降落，与VF控制相比，加、减速更为平滑，且容易使系统稳定。但是转差频率控制并未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态响应。3矢量控制矢量控制通过坐标变换将交流异步电机模型等效为直流电动机，实现了电机转矩和电机磁通的解耦，达到对瞬时转矩的控制。磁场定向控制有两种实现方法磁通直接反馈型和磁通前馈型。目前，实用中较多采用后者，又称为转差频率矢量控制，由于其没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁通，因而容易实现。但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数，为了减少控制上对电机参数的敏感性，已经提出了许多参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，有些收到了良好的效果。4直接转矩控制直接转矩控制DTC也是一种转矩闭环控制方法，其克服了坐标变换和解耦运算的复杂性，直接对转矩进行控制，通过转矩误差、磁通控制误差，按一定的原则选择逆变器开关状态，控制施加在定子端的三相电压，调节电机的转速和输出功率，达到控制电机转速目的。由于DTC直接着眼于转矩控制，对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰，在某种程度上而言，DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性。但是DTC也存在不足之处，其最大的困难就在于低速性能不理想。以上方法中，矢量控制在实际中的应用最为广泛。24变频调速与传统串电阻调速效果比较对某公司的桥吊采用变频调速以后的效果进行调研，我们得到了一个分别采用变频调速技术和传统串电阻调速技术的产出分析对比表，如表21所示。表21电阻调速和变频调速产出分析对比表电阻调速变频调速一、对设备影响设备缺点设备优点1电阻器电流冲击大，容易烧坏变频器，PLC平均无故障时间大于3万小时2国产低压电器质量差容易烧坏进口低压电器质量好3制动器、闸瓦冲击大易磨损制动器、闸瓦无冲击不易磨损表21附4YZR绕线式电机启动电流大保护不完善，易烧毁YZB变频电机启动电流小，保护完善，不易烧毁5减速箱冲击大减速箱无冲击6钢结构冲击大，易变性钢结构冲击小，延长寿命7轴承、联结轴容易打反档，易折断轴承、联结轴不能打反档不易折断8布线复杂布线程序控制，简单二、对性能影响性能缺点性能优点1启动、停止硬启动，硬停止冲击大启动、停止硬启动、硬停止冲击小2系统可靠性差系统可靠性高3维修工作量多维修工作量少4节能效果耗电节能效果节电5调速范围窄调速范围宽0100HZ运行6低速力矩小，不能长时间工作低速力矩大，能长时间工作7联网远程控制不能实现联网远程控制可方便实现三、经济效益比较电阻调速变频调速1延长大修周期每年一个大修期每三年一个大修期，三年节省两个大修期2减少大修费用每个大修15万元左右1三年可节省两个大修从表中我们可以看出，系统采用变频调速以后，不仅提高了系统的可靠性，减少了故障停机时间，而且大大降低了维修工作量和维修费用，同时节能效果也相当显著，每年可节约的费用也是相当可观的。期，节省大修费用30万元，平均每年节省10万元；（2）桥吊大修期间，电气部分的大修大修费用可节省50以上。3节省维修费用每年可节省维修材料2万元以上4减低故障率，减少停机时间，增加装卸收入故障率降低80以上，实际上极大提高了桥吊的准时使用率，压缩货车车辆停留存放时间5节能降耗节电率可达298。6延长电机使用寿命确保电机使用寿命，则平均一年可节约电机更换、维修费2万元以上。第3章变频调速系统的总体设计31桥式起重机系统简介桥式起重机广泛地应用在仓库、厂房、码头和露天贮料场等处，一般桥式起重机是由金属结构、工作机构和电气系统包括供电、电器和电气控制等三个部分组成。工作机构主要指主起升机构、副起升机构、小车运行机构和大车运行机构。其中起升机构是用来实现货物的升降，它通常由驱动装置、钢丝绳卷绕系统和取物装置三部分组成，此外，根据工作需要还可以装设各种辅助装置，如高度限位器、超载限位器等。运行机构的作用是使起重机作前后和左右运动，以达到在水平面内运移货物的目的。在电气控制系统中，其供电一般是通过滑触线或电缆将电源输送到中心电器上，起重机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气房内，安全保护装置装在适当的位置上32系统总体方案设计根据桥式起重机的运行特点，四大机构调速均采用变频调速，该系统主要由上位机工控机、下位机PLC控制系统、变频调速系统等组成，系统结构框图如图3L所示。桥式起重机大车运行机构、小车运行机构、主起升机构、副起升机构电动机都需要独立运行，大车运行机构为两台电动机同时拖动，所以整个系统有五台电动机、四台变频器传动，并由一台PLC分别加以控制。系统中变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。大车、小车是普通反抗性负载，可以配用普通型或高功能型变频器，而主钩及副钩是位能性负载，应配用可实现四象限运行的矢量控制型变频器。要特别注意的是主钩和副钩变频器，还需配用制动电阻。因为起重机放下重物时，由于重力作用电动机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的变频器工控机变频器变频器变频器PLC电动机电动机电动机电动机电动机主钩副钩小车大车图31变频调速系统框图电机速度控制闭环系统框图如图32所示PLC控制器变频器交流电机旋转编码器速度给定NRS485图32电机速度控制系统给定的速度与经由PLC高速计数模块反馈回来的实际速度相减产生速度误差，经PLC运算可得控制量，再由RS485接口输出到变频器以驱动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。由于PLC与变频器之间没有采用DA转换，而是采用了RS一485进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力。测速装置采用旋转编码器克服了过去调速系统中采用测速发电机输出特性存在死区和非线性区、体积大、误差大等缺点。下面对起升机构和运行机构的调速控制进行简要的说明。1、起升机构起升机构属位能负载机构，不但要求高的转速及起制动的控制精度，而且对转矩控制要求严格。主起升和副起升机构两台电机各使用一个变频器。变频器的选择，应以选择变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流、负载率和变频器运行的效率为依据。通过计算，变频器的额定电流一般为电动机额定电流的12倍以上。2、运行机构大车运行机构两台电机用一个变频器。变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。通常选额定功率大一级的变频器。运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳，机构的电气制动方式必须着重考虑。对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式。在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作桥式起重机的需要为主。33系统部件的选择目前PLC使用性能较好的厂家有德国的SIEMENS公司、法国的施耐德公司、日本的三菱、安川和欧姆龙、芬兰的ABB公司，根据性价比以及被控对象的IO点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的综合考虑，本系统采用SIEMENS公司的S7200系列PLC。SIMATIC7200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面HMI可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高、运行速度快的特点，继承和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。起重机各机构负载为恒转矩负载，普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器，如日本的安川、三菱和富士，德国的西门子及丹麦的丹佛斯等。其中本系统选用西门子变频器，西门子变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。根据起重机电机驱动的特性和技术要求，系统采用带测速反馈接口的MASTERDRIVE6SE70系列变频器作为主、副起升机构的电机驱动，MASTERDRIVECTOR6SE440系列变频器作为大、小行车行走机构的电机驱动，6SE440系列是一种高性能矢量控制型通用变频器，功能强、价格低，完全满足行走机构的需求。34系统的通信程序设计341PLC与上位机之间的通信上位机与PLC之间的通信实际上是计算机与PLC之间的交换命令和响应。PLC能够对从计算机发送过来的字符串进行分析，检查资料格式，分析指令代码。然后根据指令代码进行相应操作，并向计算机发出响应信号，通知计算机已完成操作或反映通信中的错误，如奇偶校验错误、FCS错误、代码错误。计算机与PLC之间的通信采用主从应答方式，上位计算机始终处于主动状态，根据需要向PLC发出读写命令；下位机处于被动状态只能响应上位机的命令，通信模块自动进行应答。开始通信时，计算机首先发出一个控制字符，去查询PLC是否作好通信准备，同时检查计算机与PLC的连接是否正确，当PLC接收到该字符后，如果它正处于RUN状态，则要到本次扫描周期结束时才能应答；如果处于STOP状态，则马上应答。若通信正常，则应答字符，若通信有错，则提示错误。如果计算机发送一个控制字符，经过几秒后，什么信号也没有收到，计算机将再送一次控制字符，如果还是无信号收到，则说明连接有错误。在传送资料时，发送方和接收方均对数码进行累加，发送方在发完资料后将其